Đồ án tốt nghiệp thiết kế thiết bị Đo chất lượng không khí di Động

Trong đỗ án tốt nghiệp này, em đã thiết kế một thiết bị di động dùng đề đo chất lượng không khí, ứng dụng cho việc theo dõi mức độ ô nhiễm trong môi trường.. Hình 1.2 Biểu đồ chất lượng

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế thiết bị đo chất lượng

không khí di động

NGUYEN THANH HA

ha.nt203695 @sis.hust.edu.vn

Ngành Điện tử - Viễn thông

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 7/2024

LỜI CẢM ƠN

Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành và niềm biết ơn sâu sắc nhất tới các

thầy cô trong ngành Điện tử — Viễn thông cũng như các thầy cô trong trường Trường Điện — Điện tử, Dai học Bách khoa Hà Nội đã luôn tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện và giúp đỡ em trong suốt quãng thời gian học tập tại trường

Đặc biệt, em xin bảy tỏ niềm biết ơn và gửi lời cảm ơn tới thầy TS Hàn Huy Dũng, là người đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện làm việc tốt nhất cho em trong suốt thời gian tìm hiểu và thực hiện đề tài

Em xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên trong SPARC Lab và toàn thé ban

bẻ trường Điện — Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội Cảm ơn mọi người đã tận tình chỉ bảo và đồng hành cùng em không chỉ trong quá trình thực hiện đề tài mà còn trong suốt 4 năm học qua

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và người thân đã luôn đồng hành và ủng hộ em, là chỗ dựa tính thần vững chắc để em có thê vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình học tập và phát triển của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Do đó, việc theo dõi, giám sát, kiếm tra và đánh giá chất lượng không khí đang

trở nên cần thiết hơn Trong đỗ án tốt nghiệp này, em đã thiết kế một thiết bị di động dùng đề đo chất lượng không khí, ứng dụng cho việc theo dõi mức độ ô nhiễm trong môi trường Sản phâm có kích thước nhỏ gọn, dễ dàng cho việc mang theo bên mình Sản phâm sử dụng những cảm biến có chỉ phí thấp, kết hợp với nhau đề đo các thông số cơ bản của không khí như: nhiệt độ, độ âm, áp suất, PMI.0, PM2.5, CO2 Mặc dù kết quả còn nhiều thiếu sót, nhưng vì thiết bị đo

có tính ứng dụng thực tiễn cao, bởi vậy nên em sẽ cố gắng không ngừng cải tiến, phát triển sản phâm đề sản phẩm ngày cảng hoàn thiện và thân thiện hơn với người đùng Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã học thêm những bài học quý giá về kiến thức chuyên môn như thiết kế mạch điện tử, hay những kỹ năng làm việc nhóm, tìm kiếm thông tin chính thống Tất cả những kinh nghiệm nảy sẽ

giúp ích cho công việc sau này của em

Sinh viên thực hiện

Ký và phi rõ họ tên

LỜI CAM ĐOAN

Em là Nguyễn Thanh Hà, mã số sinh viên 20203695, sinh viên lớp Điện tử

05 - K65 Em xin cam doan toàn bộ nội dung được trình bày trong dé an “Thiét

kế thiết bị đo chất lượng không khí di động” là kết quả của quá trình nghiên cứu

và tìm hiểu của em, dưới sự hướng dẫn của thầy Hàn Huy Dũng Các dữ liệu

được nêu ra trone đồ án là hoàn toản trung thực, phản ánh đúng với kết quả thực

hiện và đo đạc thực tế Mọi thông tin trích dẫn đều tuân thú các quy định về sở

hữu trí tuệ, các tài liệu tham khảo được liệt kê rõ ràng Em xin chịu hoàn toan

trách nhiệm đối với những nội dung được viết trong dé an nay

Hà Nội, ngày 07 thang 07 nam 2024

Người cam đoan

1.2 — Gia pape cccscessesssessessesssessesseseressesanseresseriiearetessaeaenstess 3

13 Ly do chon dé tai cccccccccccccccsessesessesessessssessesessesessessssessesessesssnsesecsesen 4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYÊ-T 5-2 cs<cseczsevseersersersereersersee 6

2.1 Tổng quan Internet of Thíngs - + 5c s9 1521211111111 11211 E11 yeu 6

2.2 Công nghệ truyền dẫn không dây WiFi trong IoT cscccszszzsze2 7

2.3.1 Nguyên lí đo nhiệt độ, độ âm - 52 2S 2 2222222211 c1 9

2.3.2 _ Công nghệ tán xạ LaS€F L0 2202122111121 1 155111281 kg 10

2.3.3 Công nghệ Non— Dispersive Infrared (NDIR) 12

2.4 G1ao thức MO TÏ: 1220112011211 1121111211 12211 8111101111811 1101100111122 xk 14

2.4.1 Tông quan về MQTT + 21 t2121211112112111 122cc 14 2.4.2 _ Cách thức truyền nhận dữ liệu qua MQTT - -csssss¿ 15

3.1 You cau ctia san pha ccccccccccccceccesesseccssesseseesessessceessnseesecevsnseesnseses 17

3.1.1 _ Yêu cầu chức năng 2s T2 2 2212112121222 te 18 3.1.2 _ Yêu cầu phi chức năng 5s 2 E2 1212112112112 te 18 3.2 Sơ đồ khối hệ thống - 5-5 S21 1212111121112 2212111211 rag 19

3.3 Sơ đồ khối chỉ tiết 222221 2122122212221 xxxe 20

3.3.1 Khối vi điều khiến 22 21221 E22111222122122121 226 20 3.3.2 Khối cảm biến 2-2222222212212112211212122222 xe 23 3.3.3 Khối lưu trữ dữ liệu -©2222221212212222122212212 2e 30 3.3.4 Khối hiến thị - 2221 2122212112712212212211211 2 1E ee 31

3.3.5 Khối thời o1an thựỰC 1201211121 1221 12 1115110111011 1 112112 kg 32

3.3.6 Khối nguỗn o2 2c T222 2211 ng ngày 32 3.4 _ Sơ đồ tuần tự 22222122 121221212212222212 2kg 35

3.5 Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in PCB 2 s22 c2 39

3.6 Lập trình firmware 2 12011 11211211111 1111 1111111181111 11121111111 rvkg 39

3.7 Lưu dữ liệu vào thẻ nhớ và đây dữ liệu lên MQTT -cccccszszs 40

CHUONG 4 THU NGHIEM VA ĐÁNH GIÁ 42

4.1 Hinh ảnh sản phẩm thực tẾ - + se 5S S21511271211211211121212 211mg 42

4.3 Một số bài kiếm tra chất lượng kết quả đo của sản phẩm 45

4.3.1 — Các bước thực hiện cecceccescccsesceseseceeseceseusaaeness 45

4.3.2 Bồ trí, tiến hành thử nghiệm - 5S 2S E225 12 6 46 4.3.3 Đánh giá kết quả đo s- 5c 2221212112112 ye 49

4.4 _ Thiết bị đo chất lượng không khí đi động version l.l s- 53

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TAT

Kí hiệu và chữ viết tắt Thuật ngữ

uae val Assan

Hình 2.1 Kích thước của bụi mịn PMI1.0, PM2.5, PM10 khi so với sợi tóc [4] 8

Hinh 2.2 Tương tác piữa ảnh sáng và hạt - - c1 212211211121 1111 111181212 xe 10

Hinh 2.3 Nguyên lý hoạt động của công nghệ tán xạ Laser [6 | - 12

Hinh 2.4 Công nghệ hồng ngoại không phân tán (NDIR) - 2 22222522 13

Hình 2.5 Mô hình kết nối MQTT -.- S211 11115111121111111E12111211 1.1102 txg 15

Hình 2.6 Nguyên lý giao tiếp qua \MQTT, - 5s 22 1SE1 1111112121111 1x xe 16

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 2Ä SE E12 1211121121112 1e ru 19

Hình 3.2 Sơ đồ chân của ESP32 [9] - 55 1221221 1121121211211 2.1212 11 x2 23

Hình 3.3 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của cảm biến BME280 [10] 26

Hình 3.4 Sơ đồ chí tiết khối nguỗn 52 21 9E E1 E712115212111121 1212 1 x2 33

Hình 3.5 Biêu đồ tuần tự khởi động thiết bị - 2-5 S212 2122151111212 xe 35

Hình 3.6 Biểu để tuần tự cho hàm lu HdddaẢŸẢẢỶẢỶẢ 37

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý của mạch - 1 21 21111211 1211112112122 11x mg 39

Hinh 3.8 Hinh ảnh 3D của mạch - L LG 1 S1 111111111 S111 S11 111151115111 11 11111115551 kg 39

Hình 3.9 Triển khai code trên ESP — IDE - 22: 52222222222222222222xzrrkv2 40

Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán nguyên lý tác vụ lưu thẻ nhớ - 5 s+sz 5s: 41

Hình 3.11 Server \MQTTT - L2 1 20 12220111011101 1111111131111 1 1111111111111 1111111 ka 41

Hình 4.1 Hình ảnh mặt sau của mạch (Ver 1.0) - c2 2221122222122 42

Hinh 4.3 Hình ảnh mạch khi cho vào trong hộp (Ver 1.0) c 25552 42

Hinh 4.4 Các file dữ liệu được lưu trong thẻ nhớ - 5c 2c 2222 czrssss2 44

Hinh 4.5 Nội dung bản tin lưu trong 1 file dữ liệu 5-5 222cc cssss2 44

Hình 4.6 Máy theo đõi chất lượng không khí IQAir AirVisual Pro [15] 45

Hình 4.8 Hai thiết bị đo chất lượng không khí đặt cạnh nhau - 5-55 49

Hình 4.9 Biêu đồ chỉ số PM2.5 (Khi cấp nguồn) 5 S22 rrg 49

Hình 4.10 Biểu đồ chỉ số CO2 (Khi cấp nguỗn) 5 S221 e2 50

Hình 4.11 Biểu đồ chỉ số nhiệt độ (Khi cấp nguồn) 2 S22 2E se 50

Hình 4.13 Biểu đồ chỉ số PM2.5 (Khi dùng pin) 55c sec 2221121 x6 51

Hình 4.14 Biểu đồ chỉ số CO2 (Khi dùng pin) - 5-5 s9 21111112 xe 51

Hình 4.15 Biểu đồ chỉ số nhiệt độ (Khi dùng pin) 52 2c cEsz cxe2 51

Hình 4.16 Biểu đồ chỉ số độ âm (Khi dùng pin) 5-55 s22 221122 22x xe 52

Hình 4.17 Biểu đồ so sánh PIM2.5 - 2 S1 3 2115211 12112112112111112121 2111 xu 52

Hình 4.18 Biểu đồ so sánh độ âm 1 S212 2E111211 1111112112112 te 52

Hình 4.19 Biểu đồ so sánh nhiệt độ 2-52 5 SE EE12122112127111211 E1 1E e2 53

DANH MỤC HÌNH VẼ

Bảng 2.1 Bảng đánh giá mức độ nguy hiểm của PM2.5 2-22 2222222222 9

Bảng 3.1 Một số thiết bị theo dõi chất lượng không khí 22 se cze£ 17

Bang 3.2 So sánh thông số cơ bản của một số vi điều khiễn - 5-55: 21

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật ESP32 WROOM [§] - S52 22t re 22

Bảng 3.4 Bảng so sánh một số cảm biến đo nhiệt độ, độ âm 5-55: 24

Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của cảm biến BME280 [10] - 5-5255 sc 25

Bảng 3.6 Bảng so sánh một số cảm biến bụi mịm 22 S2 S121 1112152155555 1e2 27

Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật cảm biến PMS7003 [6] 5-55 222 cv 28

Bảng 3.8 Bảng so sánh một số cảm biến đo nồng độ CO2 525cc cccce 29

Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật cảm biến MH — Z.19B [1 1] 5-5525 c2c222zccse 30

Bảng 3.10 Thông số kỹ thuật của thẻ nhớ SD [12] - 5c 2£ cz£szEzxe2 31

Bang 3.11 Thông số kỹ thuật man hinh LCD Oled [13] 0.00cccccccceccsceeceseseeeeees 31

Bang 3.12 Théng sé ky thudt pin Li— po [14] cccccccccccecccecessesesseseesesessesees 34

Bang 4.1 Két qua do thời gian khởi động của thiết bị -5- S2 46

CHUONG 1 TONG QUAN DE TAI

1.1 Dat van đề

Theo một nghiên cứu của Tổ chức Y tế Thế giới(WHO), ô nhiễm không khí

đã gây ra gần 7 triệu ca tử vong mỗi năm trên toàn cầu Tác nhân thậm chí còn

nguy hiểm cả hơn thuốc lá, rượu bia Ô nhiễm không khí đang là một trong

những mối đe dọa lớn nhất đối với sức khỏe của con người, khi có tới 99% dân

số thế giới đang sống trong môi trường có chất lượng không khí ở dưới mức tiêu

chuân của WHO Ô nhiễm môi trường không khí đến từ rất nhiều nguồn, trong

đó có 2 yếu tố chính là yếu tố tự nhiên và hoạt động của con người Hoạt động

của con người điển hình như hoạt động giao thông vận tải, sản xuất công, nông

nghiệp hay xây dựng Ở các đô thị, đễ dàng thấy được hình ảnh khói bụi từ xe cộ

và ống khói nhà máy, xí nghiệp làm mù mịt một khoảng trời Chúng thải ra các

khí ô nhiễm như CO2, NO, CO, NO2 cùng một số chất hữu cơ khác với nồng độ

cao [1]

Ô nhiễm không khí là mối đe doa to lớn tới sức khỏe con người Các hạt bụi mịn là tác nhân gây ra các vẫn đề về bệnh đường hô hập nghiêm trọng như: các

phản ứng viêm đường hô hấp trên, viêm đường hô hập dưới, tấn công sâu vào

mạch máu và quả tim Ở cả trẻ em và người lớn, khi tiếp xúc ngắn hạn hay dải

hạn với ô nhiễm không khí, đều có thể dẫn đến giảm chức năng phôi, nhiễm

trùng đường hô hấp và hen suyễn nặng hơn

B&H Kinshasa, Cong-96 7.1K người theo dễ

HH Manama, Ba-ren 311K người theo dõi

Hình 1.1 Xếp hạng top 10 thành phố lớn ô nhiễm nhất thế giới (Tính đến ngày

nhất thế giới trong vài năm qua Tại Việt Nam, khoảng 60000 người tử vong mỗi

năm vì ô nhiễm không khí Nghĩa là trung bình cứ mỗi 7,5 giây lại có một người

Việt Nam tử vong vì một căn bệnh liên quan tới hô hấp do tiếp xúc với không khí

bị ô nhiễm Không chỉ thiệt hại về con người, ô nhiễm không khí còn gây ảnh

hưởng tới nền kinh tế - xã hội khi thiệt hại lên tới 13 tỷ USD/năm, tương đương

với 4% GDP của đất nước [2]

Dưới đây là biếu đồ thống kê chỉ số chất lượng không khí của Hà Nội từ

ngày 03/06/2024 tới ngày 02/07/2024 theo IQair.com

Hình 1.2 Biểu đồ chất lượng không khí thành phố Hà Nội từ ngày 03/06/2024 đến ngày

02/07/2024

Hai biêu đồ trén danh gid chat lwong khong khi dya theo théng s6 AQI — Air Quality Index (Chỉ số chất lượng không khí), là thước đo được sử dung dé

mô tả mức độ ô nhiễm không khí và các tác động tiềm tang của nó đối với sức

khỏe con người AQI thường được chia thành các mức độ khác nhau, phố biến là:

0 - 50 (Tốt), 51 — 100 (Trung bình), 101 — 150 (Không tốt cho người nhạy cảm),

151 — 200 (Không tốt), 201 — 300 (Rất không tốt), 301 — 500 (Nguy hiểm) Dựa

theo biêu đồ hình 1.2, có thê dễ dàng nhận thấy trong 1 tháng qua, chất lượng

không khí trong thành phố Hà Nội luôn ở mức trung bình tới không lành mạnh,

khi chỉ số AQI dao dộng trong khoảng 70 - 130, có ngày lên tới 176 (Ngày

15/06/2024) — mức không lành mạnh với sức khỏe con người Nhìn rộng ra,

trong vòng 1 — 2 năm trở lại đây, thủ đô Hà Nội đã nhiều lần rơi vào tình trạng

báo động, khi chỉ số AQI đã nhiều lần vượt mức 150(báo động đó), thậm chí có

thời điểm đạt trên 200(mức tím)

Mức độ nghiêm trọng của ô nhiễm không khí hiện nay là vậy, tuy nhiên nhiều người vẫn chưa ý thức được, có thê bởi vì ô nhiễm không khí rất khó quan

sát được bằng mắt thường Những hạt bụi mắt thường chúng ta có thế nhìn thấy

hay cảm nhận được là các hạt bụi có kích thước lớn, còn những hạt bụi mịn (nhỏ

hơn 1/30 đường kính sợi tóc) thì mắt thường không thể nhìn thấy hay cảm nhận

được Điều này vô tình cảng làm tình hình thêm phức tạp, khó khăn, khiến cho

người dân phải chịu ảnh hưởng trực tiếp của ô nhiễm không khí khi chưa có

những biện pháp bảo vệ sức khỏe

Hiện nay, các trạm đo không khí cô định được lắp đặt ở một số khu vực trọng điểm tại các thành phố Tuy nhiên, mật độ các trạm này vẫn còn khá ít và

phân bố chưa được đồng đều Điều này dẫn tới việc người dân muốn theo dõi và

nam bắt chất lượng khơng khí gặp nhiều khĩ khăn Đặc biệt, ở các khu vực ngoại thành hay nơng thơn, việc tiếp cận các thơng tin về chất lượng khơng khí rất hạn chế

1.2 Giải pháp

Hiện nay trên thế giới, các nước phát triển từ lâu cũng đã nhận thức được

mỗi liên hệ giữa sức khỏe con người và bầu khơng khí đang sinh sống Chính

phủ và nhiều cơng ty luơn cơ gắng nghĩ ra các giải pháp để giám sát, cảnh báo các thơng số của mơi trường và giải quyết các vấn đề ơ nhiễm khơng khí nhằm bảo vệ sức khỏe của người dân Hiện nay tại Mỹ và Châu Âu cĩ một số hãng, cơng ty đang hoạt động trên lĩnh vực nay

Điền hình trong đĩ, cĩ thê kế tới IQAir, là cơng ty lâu đời đến từ Thụy Sĩ làm về các vấn đề về khơng khí bao gồm giám sát, phân tích chất lượng khơng

khí trên tồn thế giới đồng thời cũng bán các sản phẩm, hệ thống đề theo dõi các thơng số mơi trường

E]QAir Ear BIQAir Mat

Hình L3 Các dich vụ của IQAir

IQAïr vận hành các hệ thống theo dõi chất lượng khơng khí thời gian thực trên tồn thế giới giúp người dùng theo truy cập cơ sở dữ liệu và theo dõi các thơng số mơi trường tại nhiều nơi trên thế giới từ nhiều nền tảng như ứng dụng điện thoại hoặc qua trình đuyệt máy tính Các sản phâm của IQAir trải dài từ đo thơng số mơi trường từ trong nhà đến ngồi trời cĩ khả năng thu thập, lưu trữ, phân tích và đánh giá chất lượng khơng khí cho người dùng với giao diện đẹp mắt, dé sử dụng Cả IQAir hay một số cơng ty khác như: Airthings, Awair, Atmotech đều là những cơng ty làm về giải pháp chất lượng khơng khí

Tuy nhiên, nếu người dùng chỉ cĩ thê xem các thơng số online, hoặc ở các

trạm đo ở một số nơi cố định, sẽ khĩ khăn cho người dùng nếu họ muốn biết chính xác chất lượng khơng khí nơi họ đang ở hoặc sinh sống Chính bởi vậy, các cơng ty cũng đã và đang phát triển những sản phẩm cĩ thể đo và giám sát chất

lượng khơng khí nhỏ gọn, cĩ thể đặt 6 ban làm việc, ơ tơ, cĩ thê tiện lợi trong

3

việc mang thiết bị đi theo Rõ ràng, việc một sản phẩm nhỏ gọn có thế giúp chúng ta theo dõi chất lượng không khí, sẽ mang tới sự chủ động trong việc nắm bắt thực trạng của không khí xung quanh Việc theo dõi và nhận biết được chất

lượng không khí cũng chính là chia khóa để tất cả mọi người nắm bắt thực trạng

hiện nay Đó chính là bước đầu tiên, để toàn bộ mọi người có cái nhìn khát quát

về thực trạng không khí hiện nay, từ đó có những biện pháp để bảo vệ sức khỏe của chính bản thân

1.3 Lý do chọn đề tài

Ô nhiễm không khí đang là một vấn đề nhức nhối, không chỉ trên thế giới

mà ngay cả Việt Nam cũng đang bị ảnh hưởng, tác động nghiêm trọng Chất lượng không khí kém, kéo theo những hậu quả to lớn, đe dọa trực tiếp tdi strc khỏe và cuộc sống của toàn thế người dân Đề tìm cách tìm ra giải pháp cho ô

nhiễm không khí, điều đầu tiên là chúng ta phải nắm bắt và theo dõi thông tin về

các chỉ số chất lượng không khí một cách chính xác Các đữ liệu các chỉ số chất

lượng không khí cần được cập nhật liên tục để có cái nhìn chính xác nhất về tình

hình ô nhiễm hiện tại, qua đó người dùng có thế đưa ra những biện pháp, điều chỉnh để giảm thiêu tối đa ảnh hưởng của ô nhiễm không khí lên sức khỏe, đời sống của người dùng

Tuy nhiên, hiện nay người dân hầu như chỉ có thé tiếp cận những thông tin

về chỉ số chất lượng không khí qua những kênh thông tin, báo đải, các trạm đo không khí được đặt ở các thành phố lớn hay những thiết bị cồng kềnh được đặt

cô định ở một chỗ Điều nay gây khó khăn, bất tiện cho những nhu cầu, mong muốn biết được cơ bản chất lượng không khí của một số người dân khi muốn đo

ở một nơi cụ thể, tại một thời gian cu thé Vi vay, cần có một thiết bị đo chất lượng không khí nhỏ gọn, có thê cầm tay, thuận tiện trone việc mang di di chuyền

Thiết bị đo chất lượng không khí đi động sẽ giúp người dùng dé dang nam

bắt được thông tin về tình trạng môi trường xung quanh nơi họ sinh sống và làm

việc Đặc biệt với những người có vấn đề về đường hô hấp, như hen suyễn, có thê sử dụng thiết bị khi đi chuyền tới một địa điểm mới, có thê nhanh chóng kiêm tra chất lượng không khí, bụi mịn ở nơi đó để có những kế hoạch, quyết định phủ

hợp nhất

Đối tượng sử dụng: Thiết bị hướng tới những người dùng thường xuyên chạy bộ, đạp xe và đã có thu nhập hoặc có kinh tế ôn định, đặc biệt là những người có vấn đề về đường hô hấp như hen suyễn, nhạy cảm với bụi hay sự thay đổi của môi trường Những người dùng này đặc biệt quan tâm tới sức khỏe, thường xuyên luyện tập thé duc, thé thao, vi vay ho sé mong muốn có sản phâm nhỏ gọn, dễ dàng mang theo bên người, có thê kiểm tra được chất lượng không khí ở những nơi mà họ chạy bộ, đạp xe tới mà không bị vướng hay công kênh, gay bất tiện trong quá trinh họ rèn luyện thể lực Chắc chắn họ sẽ muốn lựa chọn

địa điểm, những nơi có chất lượng không khí tốt hơn đề duy trì thói quen thê dục thê thao hằng ngày của họ

Muc tiêu nghiên cứu: Trong phạm vi của đỗ án tốt nghiệp, mục tiêu của em

là nghiên cứu, tìm hiểu cách mà các cảm biến nhận dữ liệu từ môi trường, chọn các cảm biến phù hợp với yêu cầu đưa ra, thiết kế mạch PCB, từ đó thiết kế ra thiết bị đo chất lượng không khí đáp ứng các tiêu chí như nhỏ gọn, dễ dàng mang theo bên người Đồng thời, hiển thị đữ liệu về chất lượng không khí qua ứng dụng trên điện thoại Thiết bị cũng cần có chức năng lưu trữ đữ liệu trong thẻ nhớ, phục vụ những nhu câu tính toán, thống kê sau này Trong tương lai, cùng với sự phát triển tốc độ của céng nghé, em có thể cải thiện kích thước của thiết bị

cũng như độ chính xác, đồng thời em sẽ phát triển thêm phần ứng dụng trên điện

thoại, để có thể có những tính năng hữu ích hơn cho người dùng

CHUONG 2 CO SO LY THUYET

Internet of Things hay viét tat la oT, nghia là Internet vạn vật, đang là một

xu hướng công nghệ ngày càng phát triển mạnh mẽ trong thế giới kỹ thuật số

hiện đại loT là hệ thống mạng lưới các thiết bị, máy móc, đối tượng và nguồn tài

nguyên có khả năng kết nối và truyền thông đữ liệu với nhau thông qua mạng

Internet Các thiết bị trong IoT thường được trang bị các cảm biến và máy tính nhúng dé thu thap, xu ly va truyén tải đữ liệu mà không cần sự can thiệp trực tiếp

Của con người

Khai niém Internet of Things — loT dugc ra doi bo1 Kevin Ashton vao nam

1999 Tuy nhiên tới năm 2010, các ý tưởng và ứng dụng của IoT moi thy su phát triển mạnh mẽ Sự phát triển của IoT đồng thời đi cùng với sự phát triển của các công nghệ như cảm biến, mạng không dây Điều nảy giúp loT ngày cảng phát triển, mở ra nhiều tiềm năng và cơ hội mới

Cấu trúc của hệ thống loT cơ bản bao gồm 4 phan: Thiét bi(Things), Tram kết nối(Gateways), Hạ tầng mạng và đám mây(Netword and Cloud), Bộ phận phân tích và xử lý dữ liệu(Services-creation and Solution Layers) Ban đầu, các thiết bị sẽ thu thập dữ liệu từ môi trường Dữ liệu này có thê được biến đổi hoặc

giữ nguyên, sẽ được gửi lên bộ xử lý trung tâm Bộ xử lý trung tâm được coi như

bộ não của cả hệ thống, là nơi tiếp nhận, lưu trữ, phân tích và xử lý dữ liệu Sau

đó sẽ đưa ra các quyết định hoặc đưa ra các lệnh phù hợp [3]

Uu diém:

nhiều quy trình, từ việc quản lý năng lượng cho tới quản lý dự án, giúp cắt

giảm chi phí và nâng cao hiệu suất

trao đôi thông tin và tương tác mà không cần sự can thiệp của con người, giúp làm giảm thời gian tiêu ton

các thiết bị kết nối, cung cấp thông tin có giá trị để hỗ trợ việc đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu

Nhược điểm:

liên quan tới an ninh và bảo mật thông tin

hoạt động nếu mắt kết nối internet

© Chi phí: Việc triển khai và duy trì một hệ thống IoT có thê tốn kém, đặc biệt là đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ [4]

Ung dung cua IoT:

® - Quản lý môi trường

® Công nghệ xe không người lái

® - Chuỗi cung ứng hàng hóa

¢ Thanh phé thong minh

Ảnh hưởng của loT rất đa dang, trên nhiều lĩnh vực khác nhau loT đã, đang

và sẽ tiếp tục phủ sóng, lan rộng và hồ trợ con người nhiêu hơn

Ngày nay, mạng WiFi được phủ sóng hầu như khắp mọi nơi trên thế giới Điều này đã tạo điều kiện cho các hệ thông Internet of Things phát triên một cách rất mạnh mẽ

WiFi la viết tắt của Wireless Fidelity, hay mạng 802 11 là hệ thống truy cập internet không dây WiFi sử dụng sóng vô tuyến, tương tự như sóng điện thoại,

truyền hinh va radio Hién nay, WiFi là công cụ kết nỗi không thể thiếu trên điện

thoại, laptop, máy tính bảng và một số thiết bị thông minh khác như smartwatch

Một số chuân thông dung cia WiFi hién nay 1a 802.11a, 802.11b, 802 11g, 802.11n, 802.11ac, 802.11ad Ở Việt Nam, hai chuẩn phô biến nhất hiện nay là 802.11ø và 802.11n, hoạt động ở 2 dải tan 2.4GHz và 5GHz Tần số này vượt

quá tần số được sử dụng cho điện thoại di động, thiết bị cầm tay và truyền hình Việc sử dụng tần số cao hơn giúp tín hiệu truyền tải được nhiều đữ liệu hơn Trong loT, WiFi được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị yêu cầu tốc độ cao

và kết nối liên tục như:

bị từ xa thông qua ứng dụng di động hoặc web

¢ Thu thập dữ liệu: Các thiết bị loT có thể gửi dữ liệu từ các cảm biến (ví

dụ: nhiệt độ, độ âm) lên cloud thông qua kết nỗi WiFi

duoc str dung dé kết nối các thiết bị như đèn chiếu sáng, máy lạnh, camera

an ninh, hệ thông âm thanh

phép truy cập và quản lý dữ liệu từ xa, phân tích dữ liệu và đưa ra các

quyết định dựa trên dữ liệu thu thập được

Uu diém cia WiFi trong loT:

e©_ Tốc độ kết nối cao và ôn định

e - Dễ dàng tích hợp vào hạ tầng mạng hiện có

© - Hỗ trợ kết nối đa thiết bị và kết nối đồng thời

Nhược điểm của WiFi trong IoT:

e _ Tiêu tốn năng lượng nhiều hơn so với các công nghệ khác

¢ Chi phi cao hơn, đòi hỏi các thiết bị có sẵn nguồn điện liên tục

© (C6 thé gap vấn đề với tầm phủ sóng và độ bền pin

2.3 Nguyên lý hoạt động của các cảm biến đo chất lượng không khí

Trong tình trạng ô nhiễm không khí ngày càng báo động, việc tạo ra | sản pham để đo các thông số cơ bản trong không khí như: nhiệt độ, độ ấm, CO2 và

bụi giúp chúng ta cung cấp 1 bức tranh toàn điện về chất lượng không khí Những dữ liệu này sẽ hỗ trợ chúng ta đánh giá và cải thiện môi trường sống Mỗi thông số trên đều ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe của chúng ta:

Nhiệt độ: Nhiệt độ cao, hoặc thấp bat thường có thê gay ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như sốc nhiệt, hạ thân nhiệt, hoặc các bệnh liên quan tới nhiệt

độ Ngoài ra nó còn có thê làm tăng/giảm nồng độ các chất ô nhiễm trong không khí, ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe

Độ đm: Độ âm cao có thể dẫn tới năm mốc, mạt bụi và các vấn đề về hô hap, trong khi độ âm thấp có thê gây khô da, kích ứng mắt và đường hô hấp

Nông độ CO2: CO2 là một trong những khí nhà kính chính, nồng độ CO2

là chỉ số quan trọng cho chất lượng không khí trong nhà Mức CO2 cao có thể gây ra cảm giác buồn ngủ, thiếu tập trung, mệt mỏi Nồng độ CO2 được đo bằng phần triệu (ppm) Nồng độ 250 - 350 ppm thường được tìm thấy ngoài trời

Nồng độ CO2 trong khoảng 350 - 1000 ppm được coi là điển hình trong các

không gian bị chiếm đóng với thông gió khá Nồng độ CO2 trong khoảng 1.000

đến 5.000 ppm được coi là không lành mạnh và nồng độ trên 5.000 ppm có thê

gây nguy hiểm

Nông độ bụi mịn: Các loại bụi mịn như PM2.5 và PMI0, có thê xâm nhập vào hệ thống hô hấp, và gây ra các vấn đề sức khỏe như bệnh tim mạch, hen suyên, và các bệnh phối mãn tính Trên thực tế, các loại hạt bụi thuộc nhóm PM2.5 quá nhỏ và nhẹ, chúng bay lơ lửng trong không khí và tổn tại lâu hơn so với các hạt bụi tông hợp có thể nhìn thấy bằng mắt thường Chúng còn đặc biệt nguy hiểm hơn PMI1.0 hay PMI10, bởi chúng tôn tại, lơ lửng ở độ cao đúng vào

độ cao mà con người hô hấp, không quá thấp và cũng không quá cao Điều này đồng nghĩa với con người và thậm chí cả động vật đều có khả năng rất cao hít

chúng vào cơ thể thông qua quá trình thở Trong khi bụi mịn PMI1.0 đi vào cơ thể

qua đường dẫn khí và tích tụ lại trên phổi, thì bụi mịn PM2.5 có thể luồn lách vào các túi phối, tĩnh mạch phối và xâm nhập vào hệ tuần hoàn máu của người bệnh

Chính bởi sự nguy hiểm đó, PM2.5 được liệt vào danh sách các chất ô

nhiễm cần được theo dõi chặt chẽ bởi các cơ quan y tế trên toàn thế giới Nồng

độ quy định PM 2,5 có thê thấp hơn 5 ng/m3 Để đánh giá ảnh hưởng PM2.5 đối

với sức khỏe, các nhà khoa học tạo ra một bảng đánh giá mức độ nguy hiểm PM2.5 khi con người tiếp xúc liên tục trong khoảng thời gian 24h

Bảng 2.1 Bảng đánh giá mức độ nguy hiểm của PM2.5

Nồng độ PM2.5 | Mức độ ảnh hướng tới sức | Các biện pháp

0- 12.0 Ít để không có rủi ro Không cần thiết

pháp lọc bụi

chứng hô hấp già, bệnh nên

hạn chế tiếp xúc

và tử vong sớm ở người giả | khu vực này

và người mắc bệnh tim phối

tim phôi, tăng tỉ lệ tử vong | xúc trong thời

250.5- 500.4 | Cực kỳ nguy hiểm cho sức | Nên tránh tat ca

số này

2.3.1 Nguyên lí đo nhiệt độ, độ âm

Nhiệt độ: Cảm biến nhiệt điện trở (thermistor) la cam bién phổ biến được dùng để đo nhiệt độ trong môi trường:

Cảm biến nhiệt điện trở: là một loại điện trở thay đổi giá trị điện trở của

nó khi nhiệt độ thay đồi

Đo lường điện trở: khi øiá trị điện trở thay đổi, mạch điện tử bên trong cảm biến sẽ đo gia trị này va chuyên nó thành một tín hiệu điện tương ứng

Chuyên đổi tín hiệu: tín hiệu điện này sẽ được xử lý và chuyển đôi thành

dữ liệu nhiệt đột

Độ ẩm: Cảm biến độ âm điện dung (Capacitive humidity sensor):

Cảm biến điện dung: Cam biến có một bề mặt cảm ứng với lớp vật liệu hút âm Khi độ âm thay đổi, lượng nước hấp thụ vào lớp vật liệu này sẽ thay đổi, làm thay đôi hằng số điện môi của nó

Thay đổi điện dung: Sự thay đôi của hăng số điện môi dẫn đến sự thay đôi điện dung của cảm biến Từ đó, mạch điện tử bên trong cảm biến sẽ đo sự thay đổi này

Chuyên đổi tín hiệu: Tín hiệu điện dung được đo sẽ được chuyên đôi thành một tín hiệu điện, sau đó được xử lý thành dữ liệu độ âm

2.3.2 Công nghệ tán xạ Laser Công nghệ tán xạ Laser là một trone những công nghệ phổ biến để đo nồng

độ bụi mịn trong không khí, được sử dụng rộng rãi trone các ứng dụng đo lường

và phân tích khoa học, công nghiệp Công nghệ sử dụng lý thuyết tán xạ Mie để giúp chuyên đổi dữ liệu ánh sáng tán xạ thành thông tin kích thước hạt

Lý thuyết tan xa Mie:

Nam 1906, Gustav Mie da phat trién mot ly thuyét tông quát mô tả chặt chẽ các tương tác ánh sáng — hạt cho các hạt hình cầu ở mọi kích cỡ phân tán trong bất kì môi trường nào Khi một hạt di qua một chùm ánh sang, một phần cua anh sáng sẽ lệch khỏi đường ổi ban đầu, tạo ra hiện tượng tán xạ Hiện tượng này được sử dụng dé phat hién cac hat va cung cap nén tang co ban cho co ché hoat động của các may dém hat quang hoc (OPC — Optical Particle Counter) Cuong

do dac trung cua anh sang tan xa so voi cac bién déi sóc được dự đoán chính xác boi ly thuyét này và được gọi chung là mẫu tán xạ Kích thước, độ phân bố của hạt có thể được xác định dựa trên cách này, với Ì số giả định dưới đây:

® - Hạt có hình cầu, đẳng hướng

đúng nêu nồng độ thấp)

® - Các đặc tính tán xạ được coi là độc lập với chuyên độc của hạt

No interaction-undeviated ray

Hình 2.3 Tương tác giữa ánh sáng và hạt Hình 2.2 thể hiện tương tác giữa chùm ánh sáng và hạt, ngoại trừ sự hấp thụ, chùm ánh sáng tiếp tục đường đi của nó nêu khoảng cách với hạt đủ xa Khi khoảng cách giảm, độ lệch của chum sáng ngày càng rõ rệt, chuyên từ lệch vài độ lên đảo ngược ở 180 độ Khi chùm sáng cắt hạt, xảy ra các hiện tượng khác như: khúc xạ, phản xạ (cả bên trong lẫn bên ngoài) và truyền đi

Cường độ của ánh sang tan xa là một hàm của bước sóng 2, góc phân tân Ø (so với hướng ánh sáng tới), kích thước hạt d và chỉ số khúc xạ tương đối n của hạt và môi trường:

10

Tuy nhiên, phương trình tán xạ Mie này rất phức tạp Có một cách đơn giản hơn, được gọi là tán xạ Rayleiph, được sử dụng nếu kích thước hạt nhỏ hơn nhiều

so với bước sóng ánh sáng:

Trong đó, a là thông số kích thước của hạt

Theo đó, có 3 trường hợp xảy ra, tương ứng với 3 chế độ tán xạ khác nhau:

Trường hợp a ~ 1, nghĩa là kích thước của hạt gần bằng với bước sóng của

ánh sáng, cần sử dụng lý thuyết Mie để mô tả chính xác hiện tượng tán xạ, áp dụng các phương pháp phân tích chỉ tiết hơn, vì các hiện tượng tán xạ phức tạp, hiện tượng cộng hưởng Miie cũng được tạo ra

Truong hop a << 1, đó là tán xạ Reyleiph, khi đó cường độ của ánh sáng tán xạ được tính như sau:

n—1ÏỶ n+l

211)"

A

Dựa trên nên tảng lý thuyết này và để đảm bảo cường độ ánh sáng tán xạ tý

lệ thuận với đường kính hạt (0,1 — 100 pum), b6 đếm hạt quang học thường được thiết kế để hoạt động trong phạm vi nhìn thấy hoặc cận hồng ngoại (thường là

600 — 1100 nm) [5]

Nguyên lí hoạt động công nghệ tán xạ Laser:

một chùm tia laser với độ sáng cao và tần số ôn định Chùm tia laser này

được điều chỉnh để chiếu qua không gian trong buồng đo, nơi mà không

khí sẽ được lấy mẫu Quá trình này rất quan trọng vỉ nó xác định phạm vi

mà cảm biến có thể quan sát được, từ đó đảm bảo rằng tất cả các hạt bụi tiềm năng trong vùng đo sẽ bị chiếu đến

® - Thu thập ánh sáng tan xa: Các hạt bụi trong không khí sẽ tán xạ anh sang theo các hướng khác nhau sau khi bị chiếu bởi tia laser (Cảm biến có một photodetector — cảm biến quang, được đặt ở góc sao cho có thể thu nhận được ánh sáng tán xạ từ các hạt bụi khi chung di qua chum tia laser) Qua trình thu thập ánh sáng tán xạ này giúp photodetector co thé chuyén déi năng lượng anh sáng thành tín hiệu điện

Dựa theo lý thuyết Mie, bộ xử lý vi mạch sẽ tính toán đường kính tương đương của các hạt bụi có đường kính khác nhau trong mỗi đơn vị thẻ tích, dựa theo tín hiệu điện nhận được ở trên

thông qua giao tiếp UART hoặc GPIO, có thê được đọc bởi các vi điều

khiển như ESP32

11

Ie

Vv Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của công nghệ tán xạ Laser [6]

Ưu điểm công nghệ tắn xạ Laser:

Độ chính xác cao: Công nghệ tán xạ laser cho phép đo chính xác nồng độ bụi mịn, đặc biệt là các hạt nhỏ như PM2.5 nhờ vào khả năng phân tích chỉ tiết đường kính của các hạt bụi thông qua lý thuyết Mie

Nhanh chóng: Tốc độ lấy mẫu nhanh(thường là lây mẫu mỗi giây - I Hz), ĐIÚúp cung cấp dữ liệu liên tục và cập nhật nhanh chóng về chất lượng không khí Điều nảy rất quan trọng trong việc giám sát và phản ứng nhanh với thay đôi nồng độ bụi mịn trong môi trường

Độ bền cao: Thiết kế của cảm biến tán xạ laser khá chắc chắn, phù hợp cho các ứng dụng đo lường liên tục trong môi trường khác nhau Điều này giup dam bảo tính ổn định và độ tin cậy của cảm biến trong điều kiện môi trường khắc nghiệt

Nhược điểm công nghệ tán xạ Laser:

Chi phí cao: Thường cảm biến sử dụng công nghệ tán xạ laser sẽ có chỉ phí cao hơn so với các công nehệ đo khác như: điện trở, quang hóa Phụ thuộc vào môi trường: Công nghệ tán xạ laser có thể bị ảnh hướng bởi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ âm, gay ra sal số trong đo lường

Cần bảo trì định kì: Công nghệ sử dụng các phần tử quang học như laser

và photodetector, nên cần được duy trì việc bảo trì định ki dé siữ được tính chính xác của đo lường

Hiện nay, cảm biến sử dụng công nghệ NDIR là loại cảm biến phổ biến

nhất được sử dụng dé do nồng độ CO2 trong không khí

Các cảm biến NDIR hoạt động bằng cách sử dụng đèn hồng ngoại IR để hướng sóng ánh sáng qua một ống chứa đầy mẫu không khí Không khí này di chuyền về phía bộ lọc quang học (Optical Filter) phía trước máy dò ánh sáng hồng ngoại Máy dò ánh sáng hồng ngoại (Detector) đo lượng ánh sáng hồng ngoại đi qua bộ lọc quang học Trong cảm biến CO2 NDIR, dải bức xạ hồng ngoại cũng được tạo ra rất gần với dải hấp thụ CO2 4,26 micron

Khi ánh sáng hồng ngoại đi qua ống mấu không khí, các phân tử khí CO2

hấp thụ đải ánh sáng hồng ngoại, trong khi cho phép các bước sóng ánh sáng khác đi qua Ở đầu máy dò, ánh sáng còn lại chạm vào bộ lọc quang học hấp thụ

12

mọi bước sóng ánh sáng ngoại trừ bước sóng được hấp thụ bởi các phân tử CO2 trong ông mâu

Cuối cùng, máy dò hồng ngoại đọc lượng ánh sáng còn lại không được hấp thụ bởi các phân tử CO2 hoặc bộ lọc quang học

khí

Gas Sample Cell: là một buồng mà qua đó khí cần phân tích (khí mẫu) đi qua Nó cho phép ánh sáng hồng ngoại tương tác với các phân tử CO2 trong khí Tế bào mẫu thường được làm bằng vật liệu cho phép ánh sáng

hồng ngoại đi qua mà không cần hấp thụ đáng kê

Optical Filters: được sử dụng để chọn các bước song cu thể của ánh sáng hồng ngoại được biết là được hấp thụ bởi các phân tử CO2 Bằng cách sử dụng các bộ lọc thích hợp, cảm biến có thê đảm bảo rằng chỉ có các bước sóng liên quan được phát hiện bởi máy dò, nâng cao độ chính xác đo tổng

thé

Detector: Máy đò là một thành phần quan trọng của cảm biến NDIR Nó

đo lượng ánh sáng hồng ngoại đi qua mẫu khí sau khi tương tác với các

phân tử CO2 Tín hiệu của máy dò cung cấp thông tin về nồng độ CO2

trong mẫu

Reference Channel: Nhiều cảm biến CO2 NDIR bao gom một kênh tham

chiếu Kênh này đo lượng ánh sáng hồng ngoại đi qua mẫu mà không bị

CO2 hấp thụ Kênh tham chiếu đóng vai trò là đường cơ sở, cho phép cảm

biến bù cho các biến thê về cường độ và điều kiện môi trường của nguồn

sáng, dẫn đến các phép đo chính xác hơn nhiều

Signal Processing and Electronics: Tin hiệu đầu ra của máy dò và tín hiệu

kênh tham chiếu được xử lý bởi các thiết bị điện tử trong cảm biến Các thiết bị điện tử nảy thường bao gồm các thuật toán bù có tính đến các yếu

tố như nhiệt độ, độ âm và các biến khác có thê ảnh hưởng đến các phép đo tại bất ky thoi diém nao

13

Housing: Cac thanh phan của cảm biến NDIR được đặt trong vỏ bảo vệ

Vỏ này cung cập sự bảo vệ vật lý, tạo điêu kiện cho dòng khí vào tê bảo mẫu và g1úp duy trì môi trường ôn định đê đo chính xác [7|

Nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ và áp suất: Cảm biến NDIR có thể bị ảnh hưởng bởi sự biến đổi nhiệt độ và áp suất môi trường, dẫn đến sai số trong đo lường nồng độ CO2

Ưu điểm của MOTT:

Mang lại sự tối thiêu hóa về băng thông mạng và năng lượng của thiết bị kết nối

Dễ dàng triển khai: để triển khai giao thức MQTT cần có một máy chủ broker Hiện nay có nhiều tô chức cung cấp máy chủ MQTT cho thương mại hóa với nhiều gói dịch vụ có độ tin cậy cao và có thé quan li số lượng kết nối lớn Ngoài ra, tồn tại một máy chủ mã nguồn mở miễn phí là Mosquitto cho phép người dùng có thể cài đặt và triển khai một server MQTTT riêng của mình

Cung cấp giao tiếp đáng tin cậy và bền vững cho các thiết bị kết nối đặc biệt ở những kênh giao tiếp không ôn định và yếu như những nơi hẻo

lánh, những nơi có đường truyền mạng kém

Về đặc tính của truyền nhận dữ liệu, giao thức MQTT cung cấp trao đổi 2

chiều giữa thiết bị kết nối và máy chủ MQTT, dữ liệu được gửi đa dạng dưới nhiều dạng với các ứng dụng IoT dạng đữ liệu phô biến là dạng các con số là các

14

số liệu được đọc về từ các cảm biến Ngồi ra một máy chủ MQ TT cĩ thé cung cấp khả năng kêt nơi lớn cho rất nhiều thiệt bị đề truyền và nhận đữ liệu đơi với những máy chủ được thương mại hĩa con sơ này cĩ thê lên tới hàng tỉ thiết bị

Hình 2.8 Mơ hình kết nối MOTT

Một mơ hình của MQTT gồm 2 thành phần đĩ là Client và máy chủ như

hình 2.5 Các client là những thiết bị cĩ khả năng kết nối, được hỗ trợ thư viện lập trình cho MQTT Đối với giao thức này các thiết bị cĩ thê kết nối rat da dang

từ các loại vi điều khiển đến điện thoại, máy tinh, May chu MQTT hay cịn gọi

là Broker là các máy chủ đĩng vai trị quan trong nhất của một kết nối MQTT May chu Broker trone hệ thống MQTT kết nối và định tuyến nhịp nhàng của

dịng tin nhắn giữa các client Nĩ như một điểm một trung tâm phân phối thơng

tin, quản lý việc giao tiếp, xác thực và đảm bảo tính nhất quán MQTT Broker sẽ quản lí các topic, nhận tin được publish đến các topic và gửi đến các client đăng

kí topic đĩ, ngồi ra Broker cịn quản lí xử lí các cơ chế về phiên đăng nhập của client

2.4.2 Cách thức truyén nhan dir ligu qua MQTT

Mơ hình của giao thức MO TT là mơ hình Client-Server tuy nhiên khác với cac giao thức khác sử dụng mơ hình này như HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) sử dụng Request Response Protocol truyền yêu cầu lên server và nhận phản hồi tương ứng sử dụng trong cơ sở hạ tầng của World Wide Web thì với các ứng dụng của MQỌTT như loT dé đạt được yêu cầu về bảo mật, tối thiểu băng thơng và năng lượng trong khi vẫn cĩ độ tin cậy cao, nền của giao thức MQTT sử dụng là bộ giao thức TCP/IP với cơ chế chủ đạo là Publish và Subcribe

15

Hình 2.9 Nguyên lý giao tiếp qua MOTT

Hình 2.6 mô tả nguyên lý để giao tiếp giữa các khách hàng trong một mô hình kết nối MQTT.Cácclient sẽ không kết nối trực tiếp với nhau mà trao đôi thông tin thông qua máy chủ Broker Quá trình truyền nhận được mô tả như sau: Client sẽ thiết lập một kết nối TCP đến máy chủ và gửi yêu cầu kết nối đến máy chủ sau đó máy chủ sẽ định danh đề gửi lại gói tin xác nhận yêu cầu kết nối Sau

đó các client có thê thực hiện Publish các gói tin và SubcrIbe các topIc

Publish la tir dé chi qua trình gửi một gói tin lên máy chủ MQTT, một gói tin được gửi bao gồm các thành phần chính là: ID gói tin, tên topic được gửi tới,

dữ liệu cần gửi, mức QoS và cờ giữ (retain flag) Các chức năng của từng thành phần sẽ được đề cập chí tiết ở phần viết chương trình

Khi một gói tin được sửi đến máy chủ Broker, Broker sẽ làm nhiệm vụ xác định những client nào khác đăng kí topic vừa được gửi tin đến và sẽ gửi thông điệp vừa được gửi đến các client đó Subcribe là từ để chỉ quá trình đăng kí một hoặc nhiều topic đó, một gói đăng kí client gửi đến máy chủ bao gồm: ID gói đăng kí, mức QoS và tên topic

Máy chủ Broker sẽ ghi nhớ những topic mà client đã đăng kí trong suốt phiên kết nối của một client và khi client kết nối lại mà trước đó đã cấu hình tắt

cờ xóa phiên đăng nhập, nhờ vậy khi kết nối lại mọi trang thai cua client sé được

giữ nguyên mả không cần phải đăng kí lại các chủ đẻ

Tổng kết: MQTT là giao thức có nhiều lợi ích, nhiều cơ chế giúp đảm bảo giao tiếp bền vững và hiệu quả giữa các thành viên trong mạng Điều này rất quan trong trong các dự án về IoT ví đụ khi cần nhận được dữ liệu từ rất nhiều cảm biến mà vẫn đảm bảo yêu cầu tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm băng thông

mang va dé dang trién khai

16

CHUONG 3 THIET KE SAN PHAM 3.1 Yêu cầu của sản phẩm

Trước khi tìm hiểu về các yêu cầu chức năng, phí chức năng của sản phẩm,

ta tham khảo các sản phâm đo chất lượng không khí đi động đã có mặt trên thị

trường hiện tại Từ đó, có thê hiểu rõ hơn về nhu cầu, mong muốn của người

dùng, đồng thời nắm bắt các xu hướng, công nehệ hiện đại đang được áp dụng

cho các thiết bị của họ Nhờ đó, có thê định hình rõ hơn về sản phẩm cuối cùng

của mình, tối ưu hóa thời gian, chỉ phí cũng như có thể cải tiến, nâng cao những điểm chưa hoàn hảo của những sản phẩm đang có mặt trên thị trường, để trải nghiệm của người dùng noày cảng tăng

Hiện nay, có nhiều hãng sản xuất thiết bị theo dõi chất lượng không khí di

Temptop Sau khi tham khảo, tìm hiêu một số sản phẩm nổi bật của các hãng,

em có bảng thông tin tham khảo các thiết bị đo chất lượng không khí phô biến

an áp suất CO2, | 12x12x35 | Có | 7.800.000 | 6giờ

ave meus Radon, VOC

Pollution PM10, AOI, 18x7x5 Không | 3,900,000 | 6 giờ

Monitor TVOC, HCHO

® - Đơn vị của kích thước là centimet(cm)

e - App: Ứng dụng kết nối với thiết bị

¢ Giá: Chỉ phí thiết bị với đơn vị là VNĐ

Về phương pháp, công nghệ đo đề lấy dữ liệu bụi mịn và nồng độ CO2, 5 thiết bị

đo chất lượng không khí trên và đa số thiết bị khác hiện nay đều đang sử dụng công nehệ tân xạ Laser va céng nghé NDIR

17

Sau khi tham khảo, tìm hiểu sâu hơn về các công nghệ, độ chính xác và những thông số kỹ thuật của các sản phâm đo chất lượng không khí di động phô biến trên thị trường hiện nay, có thê thấy những thiết bị có tầm giá thấp — trung bình thường dễ dàng tiếp cận với đại đa số người dùng, bởi những thông số đo duoc hau như đều là những thông số mà nhiều người dùng biết, quan tâm, đi cùng với mức giá thành hợp lí Tuy nhiên trong thời đại công nghệ, việc thiếu cập nhật dữ liệu lên Internet hay ứng dụng trên điện thoại là một thiếu sót lớn

Đồng thời những sản phâm nảy có độ chính xác chỉ đạt mức trung bình - khá

Đối với những sản phâm đắt tiền hơn, độ chính xác nhờ đó được cải thiện đáng

kế Thiết bị cũng có thêm nhiều tính năng mới như kết nối với ứng dụng trên điện thoại, đo được nhiều các loại khí trong môi trường hơn Tuy nhiên, những thông

tin về các loại khí này thường ít được người dùng đại trà để ý tới, bởi nhiều người chưa có nhiều kiến thức về các loại khí nảy, nên vô tỉnh việc thiết bị có thêm thông số các loại khí khác ở thời điểm hiện tại là chưa cần thiết Củng với mức giá thành mà không nhiều người dùng có thê sẵn sàng chỉ ra cho một thiết bị

đo chất lượng không khí, vì vậy cần thiết để thiết kế một thiết bị đo chất lượng

không khí đi động đo những thông số cơ bản như bụi mịn, CO2, nhiệt độ, độ âm

(những thông số cơ bản mà người dùng quan tâm), đi với đó là mức giá thành hướng tới đại đa số người dùng sẽ là hướng đi của đề tài

Yêu cầu chức năng của sản phẩm:

không khí, sử dụng các cảm biến phù hợp, trả về gia tri digital hoặc analog

chính xác cao, đo được các chuân PMI.0, PM2.5, PM10

® - Hoạt động trên thời pian thực: Có thé lay được giá trị thời gian tai thor

điểm đo các thông số trong khôn gkhiis

điện thoại cho người dùng theo đổi

nghiên cứu

® Sản pham có 2 chế độ hoạt động: đo tại thời điểm hiện tại và đo liên tục

3.1.2 Yêu cầu phi chức năng

Yêu cầu phi chức năng của sản phẩm:

Mục đích của sản phẩm dành cho người dùng có thê mang đi lại đễ dàng, có thể

là mang đi trong các buổi chạy, đạp xe Vì thế nên kích thước, trọng lượng của sản phẩm phải nhỏ, nhẹ, áng chừng to khoảng 1 bàn tay, có thé cho vào túi quần, túi áo hay túi trên xe đạp Nhờ đó ta có thê ước chừng kích thước của sản phâm như sau:

® Kíchthước: l5cmx8cmx4cm

18

® - Hinh dáng: hình hộp chữ nhật

® - Môi trường hoạt động của sản phẩm:

thời gian dài, tránh độ âm cao, có thể làm ảnh hưởng tới độ bền và khả năng hoạt động của sản phẩm

được gọi chung là khối cảm biến, khối này sẽ đo các thông, số nhiệt độ, độ

âm, nồng độ bụi mịn, nồng độ CO2, sau đó gửi tín hiệu tới khối điều khiến

nhận được từ khối cảm biến và các khối khác, sau đó gửi dữ liệu lên

MQTT, khối lưu trữ đữ liệu và khối hiển thị

19

© _ Khối hiến thị: Hiển thị các thông tin về chất lượng không khí lên màn hình

® Server MQTT: Gửi dữ liệu lên server thông qua WIFI

© Khối lưu trữ dữ liệu: Nhận dữ liệu từ khối điều khiến và lưu vào trong thé

nhớ

Internet, trả về vi điều khiến giá trị thời gian thực, giúp duy trì thời gian

thực cho cả hệ thống 3.3 Sơ đồ khối chỉ tiết

3.3.1 Khối vi điều khiến Với mục tiêu đề ra là sản phâm di động phải nhỏ gọn, có thể cầm tay, thuận tiện mang di lai cho người dùng, đồng thời sản phâm có thê gửi dữ liệu lên server, app, yêu cầu sản phẩm phải sử dụng vi điều khiến phải nhỏ gọn, có các

tính năng công nghệ hiện đại, phù hợp đáp ứng các tiêu chí này và các tiêu chí

yêu cầu chức năng, phi chức năng ở trên Hiện nay có nhiều vi điều khiển phổ biến, được sử dụng cho đa dạng các mục đích, có thé ké téi nhu: ESP32, Arduino

Uno, STM32, ESP8266, Atmegal6 Sau khi tim hiéu vé cac vi diéu khién nay,

ta có bảng so sánh thông số cơ ban giữa các vi diéu khién dưới đây

20

Bang 3.3 So sánh thông số cơ bản của một số vi điều khiển

không dây (BLE)

Dien ap |22v.36øv| sv 18V -3.6V | 3V-3.6V | 27V-5.5V hoạt động

tiét kiệm tiệt kiệm Gia thanh | Trung binh Thap Cao Thap Thap

chinh thông minh | dự án DIY _- ° one thong minh an DIY

© - Đa dạng các giao thức, dễ dàng kết nối với nhiều loại cảm biến

server hay ứng dụng qua điện thoại Kết hợp các yếu tố cùng với thông số kĩ thuật của các vi điều khiến, ESP32 đáp ứng đủ các tiêu chí, yêu cầu mà sản phẩm đo đặt ra Cụ thé, trong dé tai lan nay,

Đây là một module có kích thước nhó gọn và tích hợp nhiều tính năng mạnh mẽ, phù hợp cho việc phát triển các ứng dụng IoT, thiết bị cảm biến và các ứng dụng

và giao thức giao tiếp như: Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth Low Energy, UART, SPI, I2C ESP32 có các chế độ tiết kiệm năng lượng như light sleep hay deep sleep

ESP32 WROOM - 32D có kích thước nhỏ gọn, đễ dàng tích hợp vào các

thiết kế PCB và thiết bị nhúng khác ESP32 Module này được thiết kế với tiêu

chuân tiêu thụ năng lượng thấp (khi ở chế độ sleep, dòng điện hoạt động là 541A), phù hợp cho các ứng dụng cần hoạt động lâu dài hoặc ở chế độ tiết kiệm năng lượng

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật ESP32 WROOM JSj

Bluetooth 4.2 BR/EDE BLE 2 chế độ

6 Kbyte SRAM trén RTC va QSPI

Tốc độ dữ liệu 150 Mb/s

Nhiét d6 hoat dong -40 độ C đến +85 độ C

22

Sơ đỗ chân của ESP32 được thê hiện trong hình

a Cảm biến nhiệt độ, độ âm BME280

Hiện nay, có nhiều cảm biến đo nhiệt độ, độ âm trên thị trường, với ø1á thành trải dài từ thấp tới cao, phù hợp cho nhiều đối tượng sử dụng khác nhau Đối với

dé tài lần này và quy mô của đề tài, có một số cảm biến phù hợp như: DHT22, DS18B20, BME280, HTU21, SHT31 Ta có bảng so sánh chỉ tiết các cảm biến

nảy:

23

Ap suat +0.5°C